Paneles solares en naves espaciales

Las naves espaciales que operan en el Sistema Solar interior normalmente dependen del uso de paneles solares fotovoltaicos gestionados por electrónica de potencia para obtener electricidad de la luz solar. Fuera de la órbita de Júpiter, la radiación solar es demasiado débil para producir suficiente energía dentro de la tecnología solar actual y las limitaciones de masa de las naves espaciales, por lo que se utilizan generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG) como fuente de energía.

Las primeras células solares prácticas basadas en silicio fueron introducidas por Russell Shoemaker Ohl, un investigador de los Laboratorios Bell en 1940. Tenían solo un 1% de eficiencia. El 25 de abril de 1954 en Murray Hill, Nueva Jersey. Demostraron su panel solar usándolo para alimentar una pequeña noria de juguete y un transmisor de radio alimentado por energía solar.

Inicialmente tenían aproximadamente un 6 % de eficiencia, pero las mejoras comenzaron a aumentar esta cifra casi de inmediato. Bell había estado interesado en la idea como sistema para proporcionar energía a estaciones repetidoras telefónicas remotas, pero el costo de los dispositivos era demasiado alto para ser práctico en esta función. Aparte de pequeños kits y usos experimentales, las células permanecieron en gran medida sin uso.

Esto cambió con el desarrollo de la primera nave espacial estadounidense, el satélite Vanguard 1 en 1958. Los cálculos del Dr. Hans Ziegler demostraron que un sistema que utiliza células solares que recargan un paquete de baterías proporcionaría la energía necesaria en un paquete general mucho más liviano que usando solo una batería. El satélite funcionaba con células solares de silicio con una eficiencia de conversión de aproximadamente el 10%.

El éxito del sistema Vanguard inspiró a Spectrolab, una empresa de óptica, a emprender el desarrollo de células solares diseñadas específicamente para aplicaciones espaciales. Obtuvieron su primera victoria importante en el diseño de la Pioneer 1 en 1958, y más tarde serían las primeras células en viajar a la Luna, en el paquete ALSEP de la misión Apolo 11. A medida que los satélites crecieron en tamaño y potencia, Spectrolab comenzó a buscar formas de introducir células mucho más potentes. Esto los llevó a ser pioneros en el desarrollo de celdas multiunión que aumentaron la eficiencia de alrededor del 12 % para sus celdas de silicio de la década de 1970 a aproximadamente el 30 % para sus celdas actuales de arseniuro de galio (GaAs). Este tipo de células se utilizan ahora casi universalmente en todas las naves espaciales alimentadas por energía solar.

Los paneles solares de las naves espaciales suministran energía para dos usos principales:

• Potencia para ejecutar los sensores, calefacción activa, refrigeración y telemetría.
• Potencia para propulsión de naves espaciales eléctricas, a veces llamada propulsión eléctrica o propulsión solar-eléctrica.

Para ambos usos, una cifra clave de mérito de los paneles solares es la potencia específica (vatios generados divididos por la masa del panel solar), que indica de forma relativa cuánta energía generará un panel para una masa de lanzamiento determinada en relación con otro. Otra métrica clave es la eficiencia del embalaje estibado (vatios desplegados producidos divididos por el volumen estibado), que indica con qué facilidad encajará la matriz en un vehículo de lanzamiento. Otra métrica clave es el costo (dólares por vatio).

Para aumentar la potencia específica, los paneles solares típicos de las naves espaciales utilizan rectángulos de células solares muy juntos que cubren casi el 100% del área visible al Sol de los paneles solares, en lugar de los círculos de oblea solares que, aunque están muy juntos , cubren aproximadamente el 90% del área visible al Sol de los paneles solares típicos de la Tierra. Sin embargo, algunos paneles solares de naves espaciales tienen células solares que cubren sólo el 30% del área visible del Sol.

Los paneles solares deben tener una gran superficie que pueda apuntar hacia el Sol a medida que la nave espacial se mueve. Una superficie más expuesta significa que se puede convertir más electricidad a partir de la energía luminosa del sol. Como las naves espaciales tienen que ser pequeñas, esto limita la cantidad de energía que pueden producir.

Todos los circuitos eléctricos generan calor residual; Además, los paneles solares actúan como colectores ópticos, térmicos y eléctricos. El calor debe irradiarse desde sus superficies. Las naves espaciales de alta potencia pueden tener paneles solares que compitan con la propia carga útil activa por la disipación térmica. El panel de matrices más interno puede estar "en blanco"; para reducir la superposición de vistas al espacio. Entre estas naves espaciales se incluyen los satélites de comunicaciones de mayor potencia (por ejemplo, el TDRS de última generación) y Venus Express, que no es de gran potencia pero está más cerca del Sol.

Las naves espaciales están construidas de manera que los paneles solares puedan girar a medida que la nave espacial se mueve. Por lo tanto, siempre pueden permanecer en el camino directo de los rayos de luz, sin importar hacia dónde apunte la nave espacial. Las naves espaciales suelen estar diseñadas con paneles solares que siempre pueden apuntar al Sol, incluso cuando el resto del cuerpo de la nave espacial se mueve, de la misma manera que la torreta de un tanque puede apuntar independientemente de hacia dónde se dirige el tanque. A menudo se incorpora un mecanismo de seguimiento a los paneles solares para mantenerlos apuntando hacia el sol.

A veces, los operadores de satélites orientan intencionadamente los paneles solares hacia un "punto de desconexión", según indicaron. o fuera de alineación directa con el Sol. Esto sucede si las baterías están completamente cargadas y la cantidad de electricidad necesaria es menor que la cantidad de electricidad producida; La desviación también se utiliza a veces en la Estación Espacial Internacional para reducir la resistencia orbital.

El espacio contiene niveles variables de gran radiación electromagnética, así como de radiación ionizante. Hay 4 fuentes de radiación: los cinturones de radiación de la Tierra (también llamados cinturones de Van Allen), los rayos cósmicos galácticos (GCR), el viento solar y las erupciones solares. Los cinturones de Van Allen y el viento solar contienen principalmente protones y electrones, mientras que los GCR son en su mayoría protones de muy alta energía, partículas alfa e iones más pesados. Los paneles solares experimentarán una degradación de su eficiencia con el tiempo como resultado de estos tipos de radiación, pero la tasa de degradación dependerá en gran medida de la tecnología de las células solares y de la ubicación de la nave espacial. Con los revestimientos de paneles de vidrio de borosilicato, esto puede suponer una pérdida de eficiencia de entre el 5 % y el 10 % por año. Otros recubrimientos de vidrio, como los de sílice fundida y los de plomo, pueden reducir esta pérdida de eficiencia a menos del 1% anual. La tasa de degradación es función del espectro de flujo diferencial y de la dosis ionizante total.

Hasta principios de la década de 1990, los paneles solares utilizados en el espacio utilizaban principalmente células solares de silicio cristalino. Desde principios de la década de 1990, las células solares basadas en arseniuro de galio se vieron favorecidas por las de silicio porque tienen una mayor eficiencia y se degradan más lentamente que el silicio en el entorno de radiación espacial. Las células solares más eficientes actualmente en producción son las células fotovoltaicas de múltiples uniones. Estos utilizan una combinación de varias capas de fosfuro de indio y galio, arseniuro de galio y germanio para recolectar más energía del espectro solar. Las celdas multiunión de vanguardia son capaces de superar el 39,2% con iluminación AM1.5G no concentrada y el 47,1% con iluminación AM1.5G concentrada.

Hasta la fecha, la energía solar, aparte de la propulsión, ha sido práctica para naves espaciales que operan no más lejos del Sol que la órbita de Júpiter. Por ejemplo, Juno, Magallan, Mars Global Surveyor y Mars Observer utilizaron energía solar al igual que la Tierra. en órbita, el Telescopio Espacial Hubble. La sonda espacial Rosetta, lanzada el 2 de marzo de 2004, utilizó sus 64 metros cuadrados (690 pies cuadrados) de paneles solares hasta la órbita de Júpiter (5,25 AU); Anteriormente, el uso más lejano era la nave espacial Stardust a 2 AU. La energía solar para la propulsión también se utilizó en la misión lunar europea SMART-1 con un propulsor de efecto Hall.

La misión Juno, lanzada en 2011, es la primera misión a Júpiter (llegó a Júpiter el 4 de julio de 2016) que utiliza paneles solares en lugar de los tradicionales RTG que utilizaban los anteriores sistemas solares exteriores. Misiones del sistema, lo que la convierte en la nave espacial más alejada en utilizar paneles solares hasta la fecha. Tiene 50 metros cuadrados (540 pies cuadrados) de paneles.

El módulo de aterrizaje InSight, el helicóptero Ingenuity, el orbitador Tianwen-1 y el rover Zhurong que actualmente operan en Marte también utilizan paneles solares.

Otra nave espacial de interés fue Dawn, que entró en órbita alrededor de 4 Vesta en 2011. Utilizó propulsores de iones para llegar a Ceres.

Se ha estudiado el potencial de naves espaciales propulsadas por energía solar más allá de Júpiter.

La Estación Espacial Internacional también utiliza paneles solares para alimentar todo lo que hay en la estación. Las 262.400 células solares cubren alrededor de 27.000 pies cuadrados (2.500 m²) de espacio. Hay cuatro conjuntos de paneles solares que alimentan la estación y el cuarto conjunto de paneles se instaló en marzo de 2009. Estos paneles solares pueden generar 240 kilovatios de electricidad. Eso equivale a una potencia promedio del sistema de 120 kilovatios, incluido el 50% del tiempo que la ISS pasa a la sombra de la Tierra.

Para futuras misiones, es deseable reducir la masa de los paneles solares y aumentar la energía generada por unidad de área. Esto reducirá la masa total de la nave espacial y puede hacer factible la operación de naves espaciales propulsadas por energía solar a distancias mayores del sol. La masa de los paneles solares podría reducirse con células fotovoltaicas de película delgada, sustratos de manta flexibles y estructuras de soporte compuestas. La eficiencia de los paneles solares podría mejorarse mediante el uso de nuevos materiales de células fotovoltaicas y concentradores solares que intensifiquen la luz solar incidente. Los paneles solares de concentración fotovoltaica para energía primaria de naves espaciales son dispositivos que intensifican la luz solar en los paneles fotovoltaicos. Este diseño utiliza una lente plana, llamada lente de Fresnel, que toma una gran área de luz solar y la concentra en un punto más pequeño, lo que permite utilizar un área más pequeña de célula solar.

Los concentradores solares colocan una de estas lentes sobre cada célula solar. Esto enfoca la luz desde el área del concentrador grande hacia el área de la celda más pequeña. Esto permite reducir la cantidad de costosas células solares mediante la cantidad de concentración. Los concentradores funcionan mejor cuando hay una única fuente de luz y el concentrador puede apuntar directamente hacia ella. Esto es ideal en el espacio, donde el Sol es una única fuente de luz. Las células solares son la parte más cara de los paneles solares, y los paneles suelen ser una parte muy cara de la nave espacial. Esta tecnología puede permitir reducir significativamente los costos debido a la utilización de menos material.

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  Vanguard 1, el primer satélite de energía solar
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  El Juno sonda espacial
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  Una sección de uno de los paneles solares de Juno
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  batería de panel solar en Hughes Aircraft Company, c. 1979
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  Paneles solares sobre la Estación Espacial Internacional, septiembre de 2000
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  Prueba de luz negra de Dawn's células solares de arsenida de galio de triple unión
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  Rosetta'S lander Philae
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  El helicóptero Marte Ingenuidad's baterías son alimentadas por paneles solares.

• Para los arrays solares en la Estación Espacial Internacional, consulte ISS Solar Arrays o Electrical system of the International Space Station
• Ingenuidad El helicóptero Mars 2020 funciona con baterías alimentadas por paneles solares
• Energía nuclear en el espacio
• Sistema fotovoltaico
• Celda solar
• Energía solar basada en el espacio